（地质工程专业论文）三峡库区特高人工筑填路基加固工程数值模拟分析.pdf

摘要 本文研究的拟建特高人工筑填路基位于三峡库区影响范围内，属云奉高速公路的一 部分。为环保及节约工程造价，将该地段原有的互通式立交改为由在建隧道的弃碴构成 的高填方路基，填方路基总体呈弧形，长2 2 0 0 0 m ，最高为5 6 2 0 m ，平均填方厚度3 5 m ， 总弃方量1 3 3 万m 3 。由于库水位影响及地形条件的制约使得该路基边坡无放坡条件， 从而导致拟建路基边坡既高又陡，稳定性难以保证，需要进行加固处理。本文以该特高 人工筑填路基为研究载体，采用p l a x i s 有限元对路基边坡的主要加固工程进行数值模 拟。 该弃渣场设置本着“先挡后弃的原则进行，填方路基坡脚拟设一拱形坝即重力式 挡土墙对填土进行支挡，坝高2 8 m 。首先，本文根据工程所在区域地质特征，建立了地 质模型，采用常规土压力理论方法，与p l a x i s 有限元强度折减法对墙后土压力进行了 计算。结果表明有限元分析中，边坡产生的滑动面较深，有滑坡的趋势，土压力值较大。 因此设计时取两种方法中较大值。 由于作用于墙背的土压力非常大，挡土墙高度也较大，并且挡土墙基底处于强风化 基岩上，因此，基底将会产生较大的压应力，挡土墙的整体稳定性，可能无法满足要求。 本文通过p l a x i s 有限元，在强度折减法的基础上对加固工程进行了塑性分析。并根据 得出的应力、应变及塑性点的分布等综合判断挡土墙的整体稳定性。结果表明：1 、重 力式挡土墙加固路基边坡后，经数值模拟得出挡土墙沿基底产生了滑动，地基承载力不 满足要求，且挡土墙将会发生倾覆。2 、依据数值模拟结果，采用四排桩基进行加固后， 支挡结构整体没有产生滑动，地基承载力也满足了要求，但挡土墙在抗倾覆方面仍存在 一定安全隐患。3 、根据桩基挡土墙数值模拟的结果，在挡土墙墙身与承台后侧均以锚 杆加固。支挡结构整体不发生滑移，地基承载力满足要求，同时可以确定挡土墙已经达 到抗倾覆的稳定状态。 本文采用p l a x i s 有限元对特高人工筑填路基边坡的加固工程进行了模拟分析，确 定了该设计工程的合理性，同时为类似复杂加固工程的设计提供参考。 关键词：三峡库区，特高人工筑填路基，加固工程，p l a x i s ，数值模拟 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep r o p o s e du l t r a - h i g hf i l l i n gr o a d b e di sl o c a t e di nt h ea f f e c t e da r e a so ft h e t h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , w h i c hi st h ep a r to fy u n f e n gh i g h w a y f o rp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t a n ds a v i n gp r o j e c tc o s t ，t h eo r i g i n a lc l o v e r l e a fi n t e r s e c t i o nw a sc h a n g e dt ob eah i g hf i l l e m b a n k m e n tw h i c hi sb u i l tb yt h ed i s p o s a b l eb a l l a s ti nt h ea b u i l d i n gt u n n e l t h es l o p eo f r o a d b e dw a saa r co v e r a l l ，w h o s el o n gi s2 2 0 0 0m ，m a x i m a lh e i g h ti s5 6 2 0m t h ea v e r a g e t h i c k n e s so ft h e 丘ui s3 5 m ，a n dt h et o t a la m o u n to fd i s p o s a b l e1 3 3 0 0 0 0m 3 a st h ew a t e ra n d t e r r a i nc o n d i t i o n sa f f e c t st h eb u i l d i n go ft h es l o p ea n dm a k e ss l o p eh i g ha n ds t e e p ，i ti s d i f f i c u l tt og u a r a n t e ei t s s t a b i l i t y , f o rw h i c hi tw i l ld os o m er e i n f o r c e m e n t b a s e do nt h i s u l t r a - h i g hf i l l i n gr o a d b e d ，u s i n gp l a x i sf i n i t ee l e m e n tt od on u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u t t h e m a j o rs t r e n g t h e n i n gw o r k s o f t h er o a d b e d s l o p e t h ed i s p o s a b l eb a l l a s tf i e l dt ob es e tu pa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ew h i c hi sr e t a i n i n gb e f o r e f i l l i n g t ob u i l daa r c h e dr e t a i n i n gw a l la tt h ef o o to ft h er o a d b e ds l o p e ，t h eh e i g h ti s2 8m f i r s t ，b a s e do nt h eg e o l o g i c a lf e a t u r e si nt h i sr e g i o n , e s t a b l i s h i n gag e o l o g i c a lm o d e l u s i n g c o n v e n t i o n a lm e t h o d sa n dp l a x i sf e ms t r e n g t hr e d u c t i o nt od e t e r m i n et h es o i lp r e s s u r eo n t h ew a l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h es l i d i n gs u r f a c eo ft h es l o p ei sd e e p e ri nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，w h i c hh a sat r e n do fl a n d s l i d e s ，s os o i lp r e s s u r ei sb i g g e r w h e nd e s i g n i n g t oc h o o s e t h eb i g g e ro n eb e t w e e nt h et w om e t h o d s a st h ep r e s s u r es o i lo nt h eb a c ko fr e t a i n i n gw a l li sv e r yl a r g e ，t h eh e i g h to ft h ew a l li sa l s o l a r g e r , a n dr e t a i n i n gw a l l si nt h eb a s e m e n t - w e a t h e r e db e d r o c k ，s ot h eb a s e m e n tw i l lh a v ea g r e a t e rs t r e s s ，t h eh o l i s t i cs t a b i l i t yo fr e t a i n i n gw a l l sm a y n o tb ea b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t s t h r o u g hp l a x i sf i n i t ee l e m e n ta n do nt h eb a s i so f t h es t r e n g t hr e d u c t i o n ，ap l a s t i ca n a l y s i s w a sb e e nd o n ef o rs t r e n g t h e n i n gw o r k s ，a n dd e t e r m i n i n gt h eo v e r a l ls t a b i l i t yo fr e t a i n i n g w a l l sa c c o r d i n gt ot h es t r e s s ，s t r a i na n dp l a s t i ca r e a , e t c t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：f i r s t ，a f t e r g r a v i t yr e t a i n i n gw a l lr e i n f o r c e de m b a n k m e n ts l o p e ，t h ew a l la l o n g t h eb a s e m e n th a ss l i p p a g e ， t h ef o u n d a t i o nb e a t i n gc a p a c i t yd o e sn o tm e e tr e q u i r e m e n t s ，a n dr e t a i n i n gw a l l sw i l lo v e r t u r n s e c o n d ，u s i n gf o u rr a n k e dp i l et or e i n f o r c et h ew a l l ，i th a sn o ts l i p p a g ea l o n gt h eb a s e m e n t a n dt h ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t ya l s om e e tt h er e q u e s t ，b u tt h ea n t i o v e r t u r no fr e t a i n i n g w a l ls t i l lh 嬲s o m ep o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s l a s t ，a c c o r d i n gt op i l er e t a i n i n gw a l ln u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s i n gr o o fb o l tt or e i n f o r c et h ew a l l s t h e ni th a sn o ts l i p p a g ea l o n gt h e b a s e m e n ta n dt h ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t ya l s om e e tt h er e q u e s t ，w h i l er e t a i n i n gw a l lh a s b e e na c h i e v e dt ot h es t a b i l i t yo fa n t i - o v e r t u r n i n g i nt h i sp a p e r , u s i n gp l a x l sf i n i t ee l e m e n tt os i m u l a t ea n da n a l y z et h es t r e n g t h e n i n gw o r k s o ft h eu l t r a - h i g hf i l l i n gr o a d b e ds l o p e d e t e r m i n i n gt h er e a s o n a b l e n e s so ft h i sd e s i g nw o r k s a n dp r o v i d i n gc o n s u l t a t i o nf o rt h ed e s i g no fas i m i l a rc o m p l e xs t r e n g t h e n i n gw o r k sa tt h e s a l t l et i m e k e yw o r d s ：t h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , u l t r a - h i g hf i l l i n gr o a d b e d , s t r e n g t h e n i n gw o r k s ，p l a x i s ， n u m e r i e a ls i m u l a t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：殊可兰劲口5 年6 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 张飞重 导师签名： 加口2 年6 月出日 0 一年月厂日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 随着高速公路建设的快速发展，高速公路不断向山区延伸，跨越不同的地质地貌单 元，将不可避免地出现大量的高填路堤和深挖路堑。这给高速公路尤其是陡坡上路基的 建设带来了许多困难，许多高速公路建设中，线路多处陡坡路基，高度从几米到几十米， 而且许多陡坡路基处在工程地质条件很差的地段。对于这些陡坡地段路基，如果处理不 当，不仅严重影响路基的稳定性，而且也会影响公路的交通安全。在我国的高速公路建 设中，路堤工程在整个路线中占据极为重要的位置，由于高等级公路本身对线形和坡度 的要求较高，在遇到大量的沟壑时，必需采用高填方或高架桥的方法解决。另外，随着 山区机场、铁路、大坝等工程建设的突飞猛进，有关深挖高填工程也越来越多。山区中 采用挖方土石料填筑路堤无疑既经济方便又环保，在一定条件下，从投资的角度出发， 在山区采用土石料填筑路堤己经成为一种必然趋势。 在山区高等级公路建设施工中，高填方路基工程已引起了公路建设部门的重视，这 是因为高填方路基存在以下问题【1 】：1 、高填方路基的填料来源复杂，粒径大小参差不齐， 挖方爆破的土石很少进行二次破碎，再加上路基填筑范围较宽，使高填方路基的压实及 压实度均匀性难以保证，易产生工后不均匀沉降和边坡滑移变形的路基病害，引起路面 破坏，增加养护维修费用，影响道路使用品质：2 、按一般填方放坡设计的高填方路基 占地范围较宽，在一些地价较贵或居民集中地区则需增加征地拆迁费，在地形受限地段 则可能难以放坡，不得不增加支挡结构物，从而增加工程造价。基于山区公路高填方路 基存在的上述问题，寻找一种技术性能可靠，经济合理的方法来保证高填方路基边坡的 稳定性，同时减少占地拆迁、节约工程造价是十分必要的。近年来我国高速公路的建设 速度不断加快，但是在建设过程中及开通后，经常会出现不同类型的工程事故，其中高 填方路基的侧滑失稳最为突出，此类事故不仅造成路面的破坏，甚至直接导致路基的沉 陷和塌方，已对公路交通安全构成了严重威胁，因此，如何对高填方路基的侧滑失稳问 题加以预防与治理，是一项事关公路交通安全的重大技术难题，亟待加以解决。 长期以来，路基边坡的综合防护技术一直是公路修筑中的一个常见但研究程度低的 课题。2 0 世纪8 0 年代中期以前，我国主要以低等级公路建设为主，深挖高填较少，公路 建设投资不大，因而路基边坡稳定问题较少，坡面防护工程不作为道路建设的主体工程， 第一章绪论 在公路工程建设中对边坡的防护常常被忽视。进入2 0 世纪9 0 年代以后，我国大量修建高 等级公路，遇到大量的高填深挖路基，边坡稳定问题日渐突出。9 0 年代初期，边坡防护 与加固主要仍沿用低等级公路的边坡工程技术或借鉴铁道部门的经验来实施局部处理， 由于在边坡处治时缺乏综合考虑，为工程埋下隐患。同时，由于在高等级公路建设中， 资金有限、技术和手段较落后，对公路环保的意识不足，没有强调公路路域生态保护应 与公路工程同步设计和实施，从而在公路沿线区域也留下了不少的生态问题。 2 0 世纪9 0 年代后期，中国公路建设进入了前所未有的高速发展阶段，吸取前期公路 建设的经验教训，高等级公路路基边坡的综合治理受到重视。各地结合当地工程实践开 展了一系列公路路基边坡防护与加固的技术研究，路基边坡工程理论与实践取得了很大 的进展。 本工程拟建路基为特高人工筑填路基，总体呈弧形，长2 2 0 0 0 m ，最高为5 6 2 0 m ， 共设5 级，由于该段位于三峡库区影响范围内，库水位影响了路基边坡的放坡条件，因 此路基边坡较陡，从而不满足规范，因此需要进行加固。而库岸路基边坡的防护与加固 也是路堤边坡防护与加固的一种特殊情况。但是水库库岸边坡破坏与一般山地滑坡相 比，有其特殊的一面。库水位的变化会影响库岸边坡的稳定性。因此，库岸路堤( 基) 边坡的防护与加固更应该受到重视了，尤其类似本文研究的工程三峡库区的特高人 工筑填路基边坡，对其如何加固就更值得研究了。 本文就是主要依托三峡库区特高人工筑填路基工程，采用p l a x i s - - 维有限元计算 程序对高筑填路基边坡的加固工程进行了数值模拟分析。 1 2 高填方工程特点和主要病害分析 根据工程类别的不同，填方工程有公路工程填方、铁路工程填方、机场工程填方【2 羽、 港口码头( 吹砂) 填方工程、围海( 湖) 造地填方工程等。而根据填料的不同，填方工 程还可以分为填土填方工程、填石填方工程【7 1 【钔、土石填方工程【9 】、改良填料填方工程【1 0 】 等。本文研究的工程为公路工程填方，并属于土石填方工程。 依据填方体的高度和规模，填方工程可以分为： 1 、普通( 低) 填方工程 区分低填方工程和高填方工程，相关规范给出的标准不一，但是做出此区别的目的 就是高填工程要进行边坡的稳定性验算，而低填方工程则没有要求。因此划分的标准也 主要是根据填方工程的边坡的高度来划分。 2 长安大学硕士学位论文 2 、高填方工程 所谓高填方路基，是指根据公路路基设计规范的规定，需进行稳定性验算、高 度大于2 0 m ( 土石边坡) 或1 2 m ( 砂砾边坡) 的路基。 公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 结合填料的种类，进行了如下划分：填料为粘 质土、粉土以及砂类土并且填方高度大于2 0 m 的路堤边坡认定为高填方边坡；填料为砂、 砾并且填方高度大于1 2 m 的路堤边坡为高填方边坡；填料为漂( 块) 石土、卵石土、砾 类土以及碎石土并且填方高度大于2 0 m 的路堤边坡认定为高填方边坡；填料为不易风化 的石块并且填方高度大于2 0 m 的路堤边坡认定为高填方边坡。 公路路基施工技术规范( j t j0 3 3 9 5 ) 将在水稻田、常年积水地带用细粒土填筑 的路堤边坡高度大于6 m 的边坡认定为高填方边坡；在其它地带填筑的填土或填石路堤 边坡高度超过2 0 m 的路堤边坡认定为高筑填路堤边坡。 ：铁路路基设计规范( t b j l 8 5 ) 把路堤填筑高度超过2 0 m 的路堤称为高筑填路堤。 1 2 1 高填方路堤( 基) 工程的主要病害及其影响因素 1 、高填方路堤( 基) 的主要病害 1 ) 依据病害发生的空间部位不同划分为： 高筑填体的沉降超量和边坡破裂失稳破坏； 高筑填路基的沉降过大和边坡的失稳破坏； 2 ) 依据病害的性质特征不同可以划分为： 填筑体与路基的整体下沉或局部沉陷； 填筑体纵、横向的开裂： 填筑体与路基的整体滑动或边坡的滑坍。 2 、高填方路堤( 基) 稳定性的影响因素弘1 3 j 1 ) 路堤自身压缩引起沉降 当路堤填土压实度不足或路基填料为不良土质时，路堤本身会产生竖向压缩变形而 引起沉降。对高路堤而言，即使压实度和路基填料均满足要求，但由于在土中仍存在空 隙，在雨水渗流或毛细水压及上部荷载的作用下产生竖向压缩变形，若这一变形有很大 部分在工后发生，则路面的损坏不可避免。 2 ) 地基的固结沉降和失稳破坏 当地基为软基时，由于其固结沉降需要一定的时间才能完成，特别在软基较厚时， 3 第一章绪论 若面层施工前，地基固结沉降尚未完成，则其较大的工后沉降就会引起路堤和路面的损 坏。对高路堤而言，软基的概念仅仅是相对的，同样的地基，在低填方为良好地基，但 在高填方较大填土荷载作用下，却可能表现为类似于软基的固结沉降甚至失稳破坏。为 了保证高筑填地段路堤的稳定，必须了解、掌握相应的地基土物理状态指标及其力学变 形指标，并提出相应的处理方案。 3 ) 填方体强度不足或填料的不均导致的差异沉降和边坡不稳定 路堤边坡为永久性边坡，为节约土地和资金，将坡度尽量取大值，降低了边坡的稳 定性，并增加了边坡压实的施工难度。对高路堤而言，尽管填土的强度能满足路基稳定 的要求，但路堤边坡潜在的滑动面仍使边坡存在滑动的趋势，特别在雨水渗流或冲刷的 作用下，这一现象更为明显，从而引起高路堤的较大侧向位移或沉降。另外，在分层碾 压过程中，设备不能靠近路边，加之边坡部位的失水和浸水性都较高，难控制最佳含水 量，造成边坡部位很难达到设计压实度。特别在大型机械的动载加压下，边坡土易产生 横向蠕动，并沿坡面方向产生位移，不但降低压实度，而且边坡内部产生纵向裂隙，填 方越高，此现象越严重。路堤完工后，在雨水渗入或毛细水作用等影响下，使边坡转化 并连续向公路中线方向发展，造成路堤纵向裂纹并下沉，尤其路肩部位最为严重。 4 ) 排水或防水设施不当 在雨季或洪水期间，填筑体受到雨水的长时间浸泡，或是路堤直接被洪水冲毁破坏。 排水设施不全或设计不当，将会导致路堤填土和路基土含水量增加，引起土质松软，强 度降低，边坡坍塌等问题，在有冻融循环的地区还会产生冻害作用。 5 ) 外荷载的作用 填方体高度与坡率的设计不当或不合理，以及特大型装备运输荷载的作用，它使填 筑体和路基承受了远远超出当初设计计算时的允许荷载作用，导致填筑体开裂或失稳破 坏。在地震区还需要考虑地震荷载的作用，以防受到地震荷载的破坏作用。 1 2 2 高填方路堤( 基) 工程病害的原因分析1 1 4 】 1 、设计方面的原因 因条件限制公路路线必须通过复杂山区时，设计上应按照公路路基设计规范( j t j 0 1 3 9 5 ) 要求认真地对高填方路基作特殊设计。对未进行高路堤的稳定性验算，而按一 般路基进行设计，且施工工艺、填料等未作特殊要求说明的路段，在施工过程中或完工 后，高填方路基将会有较大的整体下沉或局部沉陷，以致影响公路的正常使用。 4 长安大学硕士学位论文 2 、施工方面的原因 1 ) 路基填筑工艺方面的原因 高筑填路基( 堤) 的填料在分层填筑时，应按照公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 要求的厚度进行铺筑。若随意将层厚加大，而压实机具则按照规定的碾压遍数压实时， 压实度将达不到公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 规定的要求，当填筑到路基设计标 高时，必然产生累计的沉降变形，在重复荷载和填料自重的作用下，便会产生下沉。 2 ) 施工机械与碾压工艺方面的原因 在高筑填路基( 堤) 的施工过程中，应按要求配备相应的整平、碾压机具，并按规 范进行操作。若未按要求的压实工艺进行碾压，路基的压实强度不均匀，压实度达不到 规定要求，将会导致高填方段路基产生较大的沉降变形。 3 ) 工程施工过程中质量管理与技术管理方面的原因 工程施工中，工地现场人员的责任心不强，技术管理力度不够，施工现场混乱，使 工程质量降低，造成施工过程中的隐患，甚至造成大的质量事故，危及路基的稳定性。 3 、工程地质方面的原因 工程地质勘察资料不祥或是有误，工程地质环境条件的分析评价不当或是有误，均 是导致高筑填工程出现病害的重要的常见原因之一。如填方路基岩土体的压缩性分析认 识与评价不足；填方路基岩土体的强度和承载力分析评价不足。当在工程地质不良，泥 沼软基丰富的地段填筑路堤，由于地表土壤密度小、压缩变形大、承载能力低，一当路堤 填料不断增加时，原地面土壤容易发生压缩沉降和挤压位移。地基的压缩变形将致使路 基体随之沉降或开裂。 4 、路基填料方面的原因 填料颗粒的大小、形态、级配情况会对填筑体的密实度、压缩性、强度以及排水性 等工程性能产生影响。如果路堤填料的土质差，填料中混进了种植土、腐质土或泥沼土 等劣质土，由于这类土壤中有机物含量多、抗水性差、强度低等特性的作用，路堤将出 现塑性变形或沉陷破坏。尤其是膨胀土，这种土遇水膨胀软化，风干收缩开裂，结构稳 定性差，用作填料时随着土壤中水分的挥发，收缩开裂尤为严重，对路基( 堤) 的整体 结构危害极大。 5 、路基排水方面的原因 路基排水的任务是把路基工作区内的土基含水量降低到一定的范围。土基含水量过 大、排水不良会引起土质松软，强度降低，边坡坍塌，堤身沉陷或滑动以及产生冻害等。 s 第一章绪论 1 3 高填方路基边坡加固与防护技术研究综述 2 2 - 2 5 】 1 3 1 高填方路基加固处理方法【1 5 】 高筑填路堤由于施工和工程完工后在自然环境影响和汽车重复荷载作用下，出现一 些路基病害，引起路基的整体下沉和局部沉陷，边坡坍塌，影响了公路的正常使用，降 低了公路的评定等级。因此，为了更好地发挥公路的正常使用效率，对高填方路基出现 的严重病害，必须采取行之有效的处理办法，使路基处于良好的技术状态。 1 、换土复填法【1 6 】 当填筑土质不符合 公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 要求，路基出现下沉，但面 积不大、深度不深时，采用换土复填法是一种简便快捷的方法。此法是将原路基出现病 害部分的土挖去，更换新的、符合规范要求的土。一般采用级配较好的砂砾土，以塑性 指数满足规范要求的亚粘土为宜。回填时，挖补面积要扩大，且逐层挖成台阶状，由下 往上，逐层填筑，碾压密实，压实度要求高出原路基压实度1 , - - - , 2 为宜。 2 、粉喷桩法【1 7 】 当路基为较厚的( 1 0 m 以内) 淤泥、淤泥质土等软粘土时，采用粉喷桩加固技术是 较为理想的一种方法。粉喷桩处理软基土是通过专门的机械将粉体固化剂喷出后，在地 基深处就地与软土强制搅拌，利用水泥粉或水泥浆与软土之间新发生的一系列物理、化 学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的水泥土固结桩体，同时也使得桩周土体性质 得到改善，桩体与桩间土体形成复合地基，共同承担外荷载。 使用粉喷桩加固路基应认真调查路基病害的情况，认真做好粉喷桩施工的设计( 桩 径、桩距、固化剂掺入量、桩身强度等) ，施工中要严格掌握固化剂掺入量、粉喷桩龄 期、土样含水量、混合料搅拌的均匀性。 3 、灌浆法【1 8 】【1 9 l 灌浆法是利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管将浆液均匀地注入地层中，浆 液以充填、渗透和挤密等方式占据土粒间或岩石裂缝中的空间，经人工控制一定时间后， 浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能高 和化学稳定性良好的“结石体 。 由于浆液的扩散能力与灌浆压力的大小密切相关，所以对不同填料及形态的路基采 用多大压力灌浆，主要取决于路基的密实度、强度和初始应力、钻孔深度、灌浆位置及 灌浆次序等因素。而这些因素又不能准确预知，因而必须通过现场试验来确定。水泥浆 6 长安大学硕士学位论文 液在不同地质条件和不同灌浆压力条件下，在地下流动形式不同，当灌浆压力较低时， 路基填料渗透性较好，水泥浆以渗流的方式渗入路基土的孔隙，这种情况下，通常假定 路基原结构未受扰动和破坏，灌浆量及浆液扩散半径常用线性渗流理论求解：当压力逐 渐加大，其它条件不变时，浆液的流动由线性渗流转变为紊流，在紊流条件下的灌浆量 与浆液扩散半径常用紊流理论求解。上述两种情况总称为渗入注浆法，适用于碎石土、 砂卵土夯填料的路基。对于粘性土夯填的路基由于其渗透性很小，通过渗透灌浆法难以 奏效。当灌浆压力提高到一定程度时，会发现单位时间注浆量明显上升，实际上粘性土 路基已在注浆孔周围发生径向劈裂，浆液沿裂隙流入土体，并将土体切割成不规则的块 体，在块体之间形成互相穿插的脉状水泥结石，粘性土又受到充填浆液时的压缩，形成 一种复合型岩土，从而提高路基的强度和刚度。 这种方式称为劈裂式或胀裂式灌浆。用渗入式灌注碎石路基，灌注压力可由小到大， 压力控制在0 5 1 5m p a 即可。粘性土类路基适宜于采用劈裂法，常用注浆压力范围 为1 0 - - 4 0 a 。 4 、土工格栅加固填筑体【2 0 】 土工格栅是土工聚合物的一种。土工格栅主要起两个作用：一是反虑作用另一是加 固作用。加固作用的原理主要是：路基填料嵌入土工格栅的网眼里，使土工格栅和路基 填料互锁，牢固成为一体。当路基受到外部或内部荷载作用时，由于格栅与土体接触面 的摩擦力作用，土中的垂直应力和水平应力沿格栅面层水平扩散，转化为土工格栅与土 界面的剪应力，降低了土体中的垂直应力和水平应力，增强了路基的稳定性和边坡的稳 固。在土体发生显著侧向变形时土工格栅能够发挥抗拉效果，从而限制土体侧向变形和 路堤外侧土体的隆起，达到减小沉降和不均匀沉降的效果。 5 、预压法【2 1 1 在工期允许的条件下，对高填方路段采用预压法处理地基是种经济简便的方法。 高填方路段预压是先把路基填筑完毕，在保证其路基填筑期、预压期并通过预埋沉降观 测仪观测其稳定后，才允许铺筑路面。高填路基预压主要有两个控制指标：一是预压期， 这个主要是根据填土的固结来计算；另一是填筑期，主要用来控制加荷速率，以保证路 基只产生沉降而不致丧失稳定。 6 、对于高路堤的稳定，必须针对具体情况采取相应的处理措施 1 ) 若地基的固结沉降不能满足要求，必须对地基进行处理；若地基情况良好，则 要选择合适的填土材料，采用相应的压实方法、压实度标准和检测手段。 7 第一章绪论 2 ) 若高路堤沉降的不稳定是由边坡的原因所引起，则在路堤的填筑过程中应采取 一定的措施来保证边坡的稳定，例如控制分层填筑厚度、选用合适的压实机械。在边坡 部位分层铺设土工格栅等方法，改善边坡部位的碾压效果，保证边坡部位与路堤中心部 位压实度的一致性，从而达到稳定边坡、稳定路堤、避免非均匀沉降发生的目的。 3 ) 若路堤施工完毕后，发现路堤边坡开裂引起高路堤的不稳定时，则必须尽快采 取一定的措施，避免高路堤不稳定的进一步发生，如采用钻孔注浆方法，将具有固结性 能的浆液用一定压力注入路堤内，经不完全渗入固结后，使裂隙被充填，孔隙率降低、 土体抗剪强度提高，从而大大提高路堤的整体强度，达到稳定高填路堤的目的。 在高路堤施工过程中，为及时了解高路堤的稳定变化情况，必须采取一些必要的监 测手段，如高路堤的沉降监测、侧向位移监测，孔隙水压力及土压力监测，通过这些监 测及时了解高路堤的沉降变化规律及其与孔隙水压力和土压力之间的关系，及时掌握高 路堤稳定性状态，并根据实际情况采取相应的处理措施。 1 3 2 路基边坡的加固与防护技术综述 许多道路边坡的防护加固都不是单一的采用一种方法，而是多种方法相结合取长补 短，确保了道路边坡更加稳定。 边坡的处治可以分为防护与加固两种。防护是在边坡稳定的基础上进行的，如果边 坡不稳定，首先要进行加固。 1 、各类加固的特点及适用范围 1 ) 挡土墙 重力式：墙自重承受土压力，保持平衡：一般用浆砌片石砌筑，缺乏石料地区可 用混凝土；形式简单，取材容易，施工简单；当地基承载力低时，可在墙底设置钢筋混 凝土板，以减薄墙身，减少开挖量；适用于低墙、地质情况较好，有石料地区。 半重力式：混凝土灌注，在墙背设少量钢筋；墙趾展宽，或基底设凸形：以减薄 强身，节省圬工：适用于地基承载力低，缺乏石料地区。 悬臂式：采用钢筋混凝土，由立臂、墙趾板、墙踵板组成，断面尺寸小：墙过高， 下部弯矩大，钢筋用量大；适用于石料缺乏，地基承载力低地区，墙高6m 左右。 扶臂式：由墙面板、墙趾板、墙踵板、扶臂组成；采用钢筋混凝土；适用于石料 缺乏地区，挡土墙高大于6m ，较悬臂式经济。 锚杆式：由肋柱、挡土板、锚杆组成，靠锚杆的拉力维持挡土墙的平衡；适用于 挡土墙高大于1 2m ，石料缺乏或挖基困难，具有锚固条件地区。一般多用于路堑挡土 8 长安大学硕士学位论文 墙。 锚定板式：结构特点与锚杆式相似，只是拉杆的端部用锚定板固定于稳定区；填 土压实时，钢挡杆易弯，产生应力；适用于缺乏石料，具有锚固条件的地区，大型填方 工程，不适用于路堑挡土墙。 加筋挡土墙：由墙面板、拉条及填土组成，结构简单、施工方便，经济效益大： 对地基变形适应性大，对地基承载力要求低；建筑高度大，适用于大型填方工程。 2 ) 抗滑桩 抗滑桩是一种用于处理滑坡或防止边坡下滑的钢筋水泥混凝土结构，是一种较理想 的抗滑设施，但投资较大。桩体可埋入土体2 0m - - 3 0m 。能够承受较大的土体压力或滑 坡推力；桩的横截面较大，刚度大，变形小；桩间土体可用喷锚等柔性防护，不必采用 挡土板；适用于边坡开挖后土体压力大或又滑坡推力的情况。锚索抗滑桩具有抗滑桩的 特点但比抗滑桩能承受更大的土体压力或滑坡推力；桩顶加了锚索后可使埋入土体的桩 长大大减短；适用于边坡开挖后土体压力或滑坡推力很大的情况。 3 ) 预应力锚索 用预应力锚索处理单斜构造岩石边坡，对保证该类边坡的稳定有较好的效果，但难 以准确计算被锚固体的下滑力和张拉控制应力。锚索的锚固段应设置在稳定的岩体中， 一般用于岩石路段，而不适用土坡或土质松散处。 4 ) 压浆锚柱( 固结) 压浆锚柱( 固结) 简单地说就是往地层注入水泥浆( 掺加一定量的外加剂) ，以改 变土( 岩) 体物理力学性质( 必要时，加一钢筋笼或钢筋束，即锚柱) 从而稳定边坡的一 种方法。其施工设备简单，占地面积小，工期短，见效快，加固地层的深度可深可浅， 但难以检测注入范围和判断固结状态。 5 ) 排水固结 排水固结主要用于表层地下水较多处的边坡加固。有树枝状盲沟，塑料排水管等方 式。工艺简单，耗用材料少，但遇到有滑层的地方，需配设支挡构造物才能达到满意的 效果。 2 、各类防护的特点和适用范围 1 ) 圬工防护 片( 块) 石护坡和护面墙：片( 块) 石护坡分为浆砌和干砌两种。护面墙比护坡 厚，有一定的抗推力作用。其优点是能就地取材，工艺简单，但自重大，不宜在高边坡 9 第一章绪论 上使用。 菱形网格护坡：可预制安装也可用水泥混凝土现浇和石砌。工艺简单，网格内可 植草。但只适用于填方边坡和土质挖方边坡。 六角空心砖护坡：是近几年才发展起来的用水泥混凝土预制安装的一种边坡防护 形式，似蜂巢状。施工工艺简单，空洞内可填土绿化，有一定观赏价值。但自重大，费 用高，且还会阻碍边坡水的排出，对边坡稳定不利，要慎重选用。 窗孔肋式护坡：一般用浆砌片石或片石混凝土做肋，用水泥预制混凝土做成拱形 窗台，坡面水从肋上排出，窗内可植草，是目前一种较为理想的防护形式。但肋厚容易 被偷工减料，应加强施工管理和质量监理。 喷射混凝土护坡：对一些较高的风化岩石边坡，采用喷射混凝土作护坡可阻止风 化，且重量轻，施工所需设备简单，但费用较高，厚度难以控制，对景观有一定影响， 应尽量少采用。 2 ) 生物防护 生物防护除植树( 主要用于小边坡) ，传统防护形式外。植草或铺草皮是近年来才 在高速公路上兴起的一种绿色防护形式。其优点是能在短期内恢复公路沿线的绿色景观 和防止边坡冲刷，但养护费用高，要随时保持绿色有一定的困难。防护所选用的植物应 尽量采用当地适宜生长的植物，避免破坏别处的生态来防护本地的边坡。现在公路上植 草护坡较新的技术有如下三种： 液压喷播植草护坡：我国于2 0 世纪9 0 年代开始引进液压喷播技术。液压喷播植 草是将草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用喷播机 喷射到预定区的高效绿化技术。液压喷播植草护坡具有以下特点：机械化程度高；技术 含量高；施工效率高，成本低；成坪速度快，草坪覆盖度大；草坪均匀度大，质量高。 一般用于土质路堤边坡，土石混合路堤边坡经处理后可用，也可用于土质路堑边坡。 三维植被网护坡：亦称固土网垫，是以热塑性树脂为原料，经挤出、拉伸等工序 形成相互缠绕，在接点上相互熔合，底部为高模量基础层的三维立体结构网垫。具有抗 水冲刷、固土蓄水、阻风滞水等特殊功能。三维植被网护坡具有以下特点：固土性能优 良；消能作用明显；网络加筋突出：保温性能良好。三维植被网护坡适用条件：一般用 于土质路堤边坡，土石混合路堤边坡经处理后可用，也可用于土质路堑边坡，但在干旱、 半干旱地区应保证养护用水的持续供给；常用坡率l ：1 5 , - - , 1 ：2 0 ，一般不超过l ：1 2 5 ， 坡率大于1 ：1 0 时慎用：坡高：每级高度不超过l o m 。 1 0 长安大学硕士学位论文 客土喷播：挂网客土喷播技术就是通过在边坡上锚固金属网、钢筋网或高强塑料 三维网中的一种，采用压缩空气喷枪将混合好的客土喷射到坡面上，再在其上喷射植被 种籽，通过植被发达的根系和网体的紧密结合，对公路边坡达到防护的目的。该技术适 用于边坡较稳定、坡面冲刷轻微的路堤与路堑边坡的防护。特点：挂网客土喷播技术工 艺简单、施工方便、机械化程度高，生态效益、经济效益显著。推广应用该技术，应加 大本地草种的选育力度，不但能节约大量外汇，而且植物的适应性也会更好，植物群落 的自我繁衍能力强，植被的养护投入少，能节约大量资金。适用性：该技术适用于边坡 比较稳定、坡面冲刷轻微的路堤与路堑边坡的防护。挂网客土喷播技术对边坡高度、坡 高的适应性较强。对于高边坡的防护，该技术结合适量的圬工防护措施，可以达到既稳 固又经济、既环保又美观的良好效果，通过挂网，可以增加客土的抗冲刷能力，同时大 大地改善了客土在边坡上的附着条件。 除了以上的防护和加固方法以外，边坡治水也是极为重要的。水是诱发边坡失稳的 主要原因之一，包括地表水和地下水，因此，治坡必须先治水，边坡治水包括坡面截排 水及坡体排水。 以上主要介绍了边坡防护与加固的主要方法。现行的路基边坡设计在整个公路工程 设计过程中受重视程度较低，究其原因，主要是在路线勘测设计阶段对工程地质条件了 解不够充分，设计缺乏针对性，往往导致施工时边坡失稳，频繁变更设计，造成很大经 济损失。反过来说，如果片面要求公路全线进行详细的工程地质勘察，同样也会由于路 线长、工程地质条件好坏不一，增大很多投资，造成一些不必要的浪费，而且对地质资 料的掌握仍然不容易满足设计要求。因此有必要调整边坡的设计思路。公路路基边坡加 固与防护设计应遵循并行性、反馈性、智能性、绿色性的原则。 1 4 研究思路及主要内容 本文依托三峡库区特高人工筑填路基边坡，将其作为本文开展研究的工程实例，就 其加固工程进行数值模拟计算与分析。本文所作主要工作如下： 1 、通过广泛查阅、学习相关资料，明确该领域的研究历史与动态，在现有基础上 确定本文的研究方向、思路以及拟采用的方法。本文对路基边坡加固工程的数值模拟是 建立在常规边坡加固工程的设计基础之上。所以参考了大量的相关书籍及规范，熟悉掌 握常规设计方法的依据与思路。 2 、阐述现有路基边坡工程加固的主要方法手段，并对常见高填路堤( 基) 病害进 1 1 第一章绪论 行分析以及相关处理措施分析。通过对现有的特高人工筑填路基边坡稳定性分析研究资 料进行整理，并分析已有的加固工程。 3 、本文采用p l a x l s 有限元软件对加固工程进行模拟。首先收集p l a x i s 有限元 的相关资料，对如何实现本文的工程模拟及如何分析模拟成果进行了解并掌握。根据研 究的主要目的得出以下分析思路及内容( 如图1 1 所示) ： 1 ) 掌握工作区的地质背景，确定计算模型、可能用到的计算参数及计算工况。采 用常规土压力理论方法与p l a x i s 有限元法对该路基边坡的侧向土压力进行分析计算， 两种结果相互比较，从而对支挡结构承受的土压力值进行确定。 边 界 条 件 的 确 定 资料收集与现场踏 资料分析与评价 地质模型 参 数 的 选 取 数学物理模型 计 算 工 况 的 确 定 数值模拟 有 限 一 兀 法 重力式 挡土墙 的整体 稳定性 数值模 拟 加固工程 数值模拟 l 桩基加 否l 固挡土 一墙的整 l 体稳定 i 性数值 i 模拟 l 桩与锚 丕i 杆共同 纠加固挡 l 土墙的 i 整体稳 i 定性数 l 值模拟 结论与建议 图1 1 研究思路及内容说明图 2 ) 根据设计资料，路基边坡主要采用挡土墙进行加固，因此在墙后填土的土压力 作用下，采用p l a x l s 有限元进行模拟，从模拟结果分析挡土墙整体稳定性是否满足要 求，若不满足，就要对挡土墙进一步采取桩基础及锚杆逐一进行加固。对加固后的支挡 结构分别采用有限元模拟分析，以确定挡土墙的整体稳定性是否能够完全满足要求。 4 、本文采用有限元对路基边坡加固工程进行模拟，分析的过程及得出的成果可以 为今后类似加固工程的设计计算提供参考，也可为评价已有加固工程的合理性提供依 据。 1 2 压定一一f 黠工 侧型i引圳引 第二章工作区